作为一台高性能的第三代同步辐射光源,上海同步辐射装置(SSRF)中的光束线具有极高的功率密度。挡光元件位于储存环和光束线之间的前端区,是处理同步辐射高热负载并保护后续元件的关键元件。第三代同步辐射产生的极高热负载为挡光元件的设计提供了很大挑战。SSRF首期建设时采用大安全系数的静强度方法进行挡光元件设计,即无限寿命设计方法。然而实际元件在其使用期限30年内经受约104次循环载荷,此设计准则过于保守,且不够经济合理。提出新的更合理、更有效的方法是未来挡光元件设计的趋势,也是同步辐射装置性能进一步提高的必然要求。本文基于SSRF前端挡光元件的设计问题,依托课题组此前承担的国家自然科学基金项目,“Glidcop受同步辐射高热负载的疲劳失效机理研究”,针对Glidcop Al-15材料低周疲劳行为、各种因素对材料疲劳性能的影响及试验试件和挡光元件的裂纹扩展寿命预测等方面开展研究,使用试验测试及有限元仿真方法,结合裂纹扩展理论模型,提出了基于损伤容限原理的有限寿命设计方法,具体内容包括:(1)上海同步辐射装置前端区挡光元件材料的低周裂纹扩展规律研究基于损伤容限设计原理的有限寿命设计方法基础在于挡光元件制造材料Glidcop的疲劳裂纹扩展性质。本文使用MTS材料测试系统对SSRF使用的Glid-cop材料进行了不同加载载荷下的低周疲劳裂纹扩展行为观测,得到了材料低周疲劳寿命与载荷之间的关系,给出了 Glidcop材料低周裂纹扩展速率与加载载荷及实时裂纹长度之间的定量关系。(2)退火热处理及表面粗糙度对材料力学及疲劳性能的影响研究已有文献结果表明,包括Glidcop材料在内的铜及铜合金材料力学性能与热处理工艺有关。本文以纯铜材料为例,对退火前后材料的微观组织结构和宏观性能的变化进行了试验研究,考察了重结晶退火热处理和表面粗糙度对材料基本机械性能和疲劳性能的影响。结果表明,退火对材料拉伸强度和疲劳性能的影响显著,因此使用纯铜及含铜量99.7%的Glidcop材料制成的结构设计上若有强度要求,则不建议对其进行重结晶退火处理。(3)电流脉冲处理对材料疲劳寿命的影响研究已有研究表明,合适的电流脉冲处理可以修复金属材料内的疲劳裂纹,进而对金属材料疲劳性能有积极影响。基于带粗糙度构件的表面缺陷可视为一系列微裂纹的观点,本文通过对电流脉冲处理前后纯铜粗糙度试件的表面形貌、残余应力、金相组织、断口形貌等方面进行观测,考察了电流脉冲处理对带有粗糙度表面的纯铜及Glidcop试件疲劳寿命的影响。另外,采用带缺口试件对纯铜材料裂纹扩展行为进行观测,并考察了电流脉冲处理对其裂纹扩展行为的影响。鉴于电流脉冲处理后冷变形纯铜和Glidcop粗糙度试件的疲劳寿命均有所增加,可对带有较小粗糙度的实际挡光元件进行合理的电流脉冲处理,可以提升元件疲劳寿命,有利于设施的安全运行。(4)带缺陷试件的裂纹扩展寿命预测方法研究通过实测粗糙度表面的统计学参数重构虚拟粗糙度表面。对于高周疲劳,采用有限元方法得到试件实际加载应力下不同长度的裂纹尖端应力强度因子;而对低周疲劳,采用有限元弹塑性分析得到试件内的最大塑性应变幅度。以应力强度因子和最大塑性应变幅分别作为高周、低周疲劳的控制参量,并基于材料断裂性能预估试件疲劳失效时的临界裂纹长度,利用试验获得的裂纹扩展速率公式,对纯铜缺陷试件高周疲劳下的剩余裂纹扩展寿命、Glidcop Al-15带孔试件和粗糙度试件的低周疲劳寿命进行了预测,与试验结果的良好吻合证实了该裂纹扩展寿命预测方法的有效性。(5)上海同步辐射装置前端区挡光元件裂纹扩展寿命预测和有限寿命疲劳设计利用对实际挡光元件在同步辐射循环加载和卸载下的弹塑性分析结果,依据损伤容限设计原理,将裂纹长度作为损伤量,以危险点的局部最大塑性应变幅作为控制参量,以裂纹长度达到1mm为失效准则,利用材料低周裂纹扩展速率公式,对挡光元件束流正常或漂移下的低周疲劳寿命进行预测,并结合线性累积损伤理论给出前端挡光元件同一束流强度两种工况综合作用下的疲劳寿命评估结果。总结以上过程,提出基于损伤容限设计原理的挡光元件有限寿命疲劳设计方法,为之后SSRF光束线的优化改进和设计提供参考。